Лекция 2

Тема лекции

Рабочие циклы ДВС.

Кривошипно-шатунный механизм двигателя

см. также Презентацию к лекции 2

План лекции

2.1 Принцип преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала.

2.2 Понятия и определения двигателя.

2.3 Рабочие циклы четырехтактных карбюраторных и дизельных двигателей.

2.4 Назначение кривошипно-шатунного механизма.

2.5 Неподвижные и подвижные группы деталей КШМ: блок цилиндров или блок-картер, головка (головки) блока цилиндров, цилиндры, шатунно-поршневая группа, коленчатый вал, подшипники, картер.

2.6 Установка и крепление двигателей на раме.

Содержание лекции

2.1 Принцип преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала

Двигатель внутреннего сгорания состоит из механизмов и систем, выполняющих различные функции. Рассмотрим устройство и принцип работы двигателя внутреннего сгорания на примере одноцилиндрового бензинового ДВС с внешним смесеобразованием (рис. 2.1). В цилиндре 1 находится поршень с поршневыми кольцами, соединенный с коленчатым валом 11 шатуном 8.

При вращении коленчатого вала поршень совершает возвратно-поступательное движение. Одновременно с коленчатым валом вращается распределительный вал, который через промежуточные детали (толкатель, штангу и коромысло) механизма газораспределения открывает или закрывает впускной и выпускной клапаны. Когда поршень опускается вниз, открывается впускной клапан, и в цилиндр поступает (за счет разрежения) горючая смесь (мелкораспыленное топливо и воздух), приготовленная в карбюраторе, которая при движении поршня вверх сжимается.

Рис. 2.1. Схема одноцилиндрового бензинового ДВС с внешним смесеобразованием:

1 – цилиндр (с картером в сборе); 2 – головка цилиндра; 3 – впускной клапан; 4 – свеча зажигания; 5 – выпускной клапан; 6 – поршень; 7 – поршневой палец; 8 – шатун; 9 – маховик; 10 – поддон; 11 – коленчатый вал

В работающем двигателе при появлении электрической искры между электродами свечи зажигания 4 смесь, сжатая в цилиндре, воспламеняется и сгорает. Вследствие этого образуются газы, имеющие высокую температуру и большое давление. Под давлением расширяющихся газов поршень опускается вниз и через шатун приводит во вращение коленчатый вал. Так преобразуется прямолинейное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала. При открытии выпускного клапана и при движении поршня вверх из цилиндра удаляются отработавшие газы.

2.2 Понятия и определения двигателя

С работой двигателя связаны следующие параметры.

Верхняя мертвая точка (ВМТ) – крайнее верхнее положение поршня (рис. 2.2).

Нижняя мертвая точка (НМТ) – крайнее нижнее положение поршня.

Радиус кривошипа – расстояние от оси коренной шейки коленчатого вала до оси его шатунной шейки.

Ход поршня S – расстояние между крайними положениями поршня, равное удвоенному радиусу кривошипа коленчатого вала. Каждому ходу поршня соответствует поворот коленчатого вала на угол 180° (пол-оборота).

Рис. 2.2. Основные положения кривошипно-шатунного механизма:

S – ход поршня; D – диаметр цилиндра; r – радиус кривошипа

Такт – часть рабочего цикла, происходящая за один ход поршня.

Объем камеры сгорания – объем пространства над поршнем при его положении в ВМТ (рис. 2.2).

Рабочий объем цилиндра – объем пространства, освобождаемого поршнем при перемещении его от ВМТ к НМТ.

Полный объем цилиндра – объем пространства над поршнем при нахождении его в НМТ. Очевидно, что полный объем Va цилиндра равен сумме рабочего объема Vh , цилиндра и объема Vc камеры сгорания, т. е. Va = Vh + Vc.

Литраж: двигателя (в л) для многоцилиндровых двигателей – это произведение рабочего объема Vh на число i цилиндров, т. е. Vл = Vh · i.

Степень сжатия ε – отношение полного объема Va цилиндра к объему Vc камеры сгорания, т.е.

Ход поршня S и диаметр D цилиндра обычно определяют размеры двигателя. Если отношение S/D < 1, то двигатель называют короткоходным. Большинство современных двигателей — короткоходные.

Степень сжатия показывает, во сколько раз уменьшается полный объем цилиндра двигателя при перемещении поршня из НМТ в ВМТ. Степень сжатия — величина безразмерная. В карбюраторных двигателях ε = 6,5…10, а в дизелях ε = 14…21. С увеличением степени сжатия возрастает мощность и улучшается экономичность двигателя.

2.3 Рабочие циклы четырехтактных карбюраторных и дизельных двигателей

Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя состоит из следующих тактов: впуск, сжатие, рабочий ход (сгорание – расширение), выпуск.

Впуск. Поршень перемещается от ВМТ к НМТ, впускной клапан открыт, в цилиндре возникает разрежение, вследствие чего в него поступает горючая смесь, которая перемешивается с отработавшими газами, оставшимися в небольшом количестве в цилиндре от предыдущего цикла, и образует рабочую смесь. Температура смеси в конце впуска равна 100...130°С, а давление примерно 0,07...0,08 МПа (0,7...0,8 кгс/см2).

Сжатие. Поршень перемещается от НМТ к ВМТ. Оба клапана закрыты, рабочая смесь сжимается, вследствие чего ее температура повышается и улучшается испарение бензина.

К концу такта сжатия давление в цилиндре повышается до 0,8...1,2 МПа (8...12 кгс/см2), температура смеси достигает 280... 480 °С.

Рабочий ход (сгорание — расширение). Рабочая смесь в цилиндре воспламеняется электрической искрой и сгорает за 0,001... 0,002 с, выделяя при этом большое количество теплоты. Оба клапана закрыты. Температура сгорания свыше 2000 °С, а давление – 3,5...4,0 МПа (35...40 кгс/см2).

Под действием силы давления газов поршень перемещается к НМТ, вращая через шатун коленчатый вал. В процессе расширения газов за счет внутренней энергии топлива совершается механическая работа. В конце расширения давление в цилиндре падает до 0,3...0,4 МПа (3...4 кгс/см2), а температура снижается до 800...1100 °С.

Выпуск. Открывается выпускной клапан. Поршень перемещается к ВМТ и очищает цилиндр от отработавших газов, выталкивая их в атмосферу. Давление в цилиндре к концу такта выпуска снижается до 0,11...0,12 МПа (1,1...1,2 кгс/см2), а температура до 300...400 °С.

Рабочий цикл четырехтактного дизеля, как и рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя, состоит из четырех повторяющихся тактов: впуска, сжатия, расширения газов или рабочего хода и выпуска. Однако рабочий цикл дизеля существенно отличается от рабочего цикла карбюраторного двигателя. В цилиндр дизеля поступает чистый воздух, а не горючая смесь. Воздух сжимается с высокой степенью сжатия, вследствие чего значительно повышается его давление и температура. В конце сжатия в нагретый воздух из форсунки впрыскивается мелкораспыленное топливо, воспламеняющееся не от электрической искры, а от соприкосновения с горячим воздухом. Поэтому дизель иногда называют двигателем с воспламенением от сжатия. Горючая смесь в этом двигателе образуется при впрыскивании топлива в цилиндр.

Первый такт — впуск (рисунок 2.3 а). При движении поршня от ВМТ к НМТ в цилиндре создается разрежение. Впускной клапан 5 открывается, и цилиндр наполняется воздухом. В цилиндре воздух смешивается с небольшим количеством отработавших газов. Давление воздуха в цилиндре (у прогретого двигателя) при такте впуска составляет 8 – 9 кПа, а температура достигает 50-80°С.

Рис. 2.3. Схема работы четырехтактного одноцилиндрового дизеля:

а – впуск воздуха, б – сжатие воздуха, в – расширение газов или рабочий ход,

г – выпуск отработавших газов, 1 – цилиндр, 2 – топливный насос,

3 – поршень, 4 – форсунка, 5 – впускной клапан, 6 – выпускной клапан

Второй такт – сжатие (рисунок 2.3 б). Поршень движется от НМТ к ВМТ, впускной 5 и выпускной 6 клапаны закрыты. Объем воздуха уменьшается, а его давление и температура увеличиваются. В конце сжатия давление воздуха внутри цилиндра повышается до 400 — 500 кПа, а температура до 600 — 700°С. Для надежной работы двигателя температура сжатого воздуха в цилиндре должна быть значительно выше температуры самовоспламенения топлива.

Третий такт – расширение газов или рабочий ход (рисунок 2.3 в). Оба клапана закрыты. При положении поршня около ВМТ в сильно нагретый и сжатый воздух из форсунки 4 впрыскивается мелкораспыленное топливо под большим давлением (1300—1850 кПа), создаваемым топливным насосом 2. Топливо перемешивается с воздухом, нагревается, испаряется и воспламеняется. Часть топлива сгорает при движении поршня к ВМТ, т. е. в конце такта сжатия, а другая часть – при движении поршня вниз в начале такта расширения. Образующиеся при сгорании топлива газы увеличивают внутри цилиндра двигателя давление до 600 – 800 кПа и температуру до 1800 – 2000 °С. Горячие газы расширяются и давят на поршень 3, который перемещается от ВМТ к НМТ, совершая рабочий ход.

Четвертый такт – выпуск (рисунок 2.3 г). Поршень перемещается от НМТ к ВМТ и через открытый выпускной клапан 6 вытесняет отработавшие газы из цилиндра. Давление и температура в конце выпуска равны соответственно 11 — 12 кПа и 600-700°С. После такта выпуска рабочий цикл дизеля повторяется в рассмотренной выше последовательности.

2.4 Назначение кривошипно-шатунного механизма

Кривошипно-шатунный механизм преобразует прямолинейное возвратно-поступательное движение поршней, воспринимающих силу давления газов, во вращательное движение коленчатого вала. Детали кривошипно-шатунного механизма можно разделить на две группы: подвижные и неподвижные. К первым относятся поршень с кольцами и поршневым пальцем, шатун, коленчатый вал и маховик, ко вторым – блок цилиндров, головка блока, прокладка головки блока и поддон (картер). В обе группы входят также и крепежные детали.

Блок цилиндров или блок-картер является остовом двигателя. На нем и внутри него располагаются основные механизмы и детали систем двигателя. Блок цилиндров может быть отлит из серого чугуна (двигатели автомобилей ЗИЛ-130, МАЗ-5335, КамАЗ-5320) или из алюминиевого сплава (двигатели автомобилей ГАЗ, УАЗ и др.). Горизонтальная перегородка делит блок цилиндров на верхнюю и нижнюю части. В верхней плоскости блока и в горизонтальной перегородке расточены отверстия для установки гильз цилиндров. В цилиндре, являющемся направляющей при движении поршня, совершается рабочий цикл двигателя. Гильзы могут быть мокрыми или сухими. Гильзу цилиндра называют мокрой, если она омывается жидкостью системы охлаждения, и сухой, если непосредственно не соприкасается с охлаждающей жидкостью.

Рис. 2.4. Неподвижные детали КШМ:

1 – блок цилиндров; 2 – крышка распределительных шестерен; 3 – прокладка; 4 – головка блока цилиндров; 5, 9, 10 – отверстия для охлаждающей жидкости; 6, 8 – впускные каналы;

7 – камера сгорания; 11 – седло клапана; 12 – гильза цилиндра

Рис. 2.5. Подвижные детали КШМ:

1 – храповик; 2 – упорные кольца коленчатого вала; 3, 13 – шатунные шейки;

4 – вкладыши подшипника нижней головки шатуна; 5 – стопорное кольцо; 6 – поршневой палец; 7 – верхняя головка шатуна; 8 – шатун; 9 – болт крышки шатуна; 10 – нижняя головка шатуна; 11 – крышка шатуна; 12, 16, 18, 21 – коренные шейки коленчатого вала;

14 – поршень; 15 – маховик; 17 – задняя часть коленчатого вала; 19 – кривошип коленчатого вала; 20 – противовес коленчатого вала; 22 – ведущая шестерня привода механизма газораспределения; 23 – коленчатый вал; 24 - шкив

Головка блока является крышкой, закрывающей цилиндры. В головке двигателей с верхним расположением клапанов размещены вставные седла, свечи или форсунки, направляющие втулки, клапаны, коромысла, оси и др.

Поршень служит для восприятия давления газов при рабочем ходе и осуществления вспомогательных тактов (впуска, сжатия, выпуска). Поршень представляет собой полый цилиндр, отлитый из алюминиевого сплава. Он имеет днище, головку и юбку. Снизу днище поршня усилено ребрами. В головке поршня выполнены канавки для поршневых колец. В юбке поршня находятся приливы (бобышки) с отверстиями для поршневого пальца. Поршни двигателей легковых автомобилей могут иметь днища различной конфигурации с целью образования вместе с внутренней поверхностью головки цилиндров камер сгорания необходимой формы. Днища поршней могут быть плоскими, выпуклыми, вогнутыми и с фигурными выемками.

Поршневые кольца уплотняют полость цилиндра, исключают прорыв газов в картер двигателя (компрессионные) и попадание масла в камеру сгорания (маслосъемное). Кроме того, они отводят теплоту от головки поршня к стенкам цилиндра. Компрессионные и маслосъемное кольца – разрезные. Они изготовлены из специального чугуна.

Шатун соединяет поршень с коленчатым валом. Он преобразует возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленвала. В нижние головки шатуна устанавливают подшипники скольжения (вкладыши).

Коленчатый вал воспринимает усилия от шатунов и передает создаваемый на нем крутящий момент трансмиссии автомобиля. От него также приводятся в действие различные механизмы двигателя (газораспределительный механизм, масляный насос, распределитель зажигания, насос охлаждающей жидкости и др.). В качестве коренных подшипников коленчатого вала применяют тонкостенные вкладыши

2.6 Установка и крепление двигателей на раме

Крепление двигателя к раме или подрамнику должно быть надежным, но упругим, чтобы вибрация двигателя не передавалась на раму. Двигатели или силовые агрегаты крепят к рамам или полурамам в трех, четырех и пяти точках.

Двигатели автомобилей «Волга» крепят в трех точках на резиновых подушках: две опоры расположены в передней части блока цилиндров (по его сторонам), а одна опора – сзади, под передней частью удлинителя коробки передач.

Двигатель ЗИЛ-130 имеет три точки крепления: передней опорой служит кронштейн, установленный под крышкой распределительных шестерен, задними опорами — лапы картера сцепления. От продольного смещения двигатель ЗИЛ-130 удерживается тягой, соединенной с поперечиной рамы.

Силовой агрегат (двигатель, сцепление и коробка передач) автомобиля МАЗ-5335 укреплен на раме в четырех точках на упругой подвеске.

Силовой агрегат автомобиля КамАЗ-5320 закреплен в пяти точках: две опоры спереди на блоке цилиндров по его сторонам; две опоры сзади с обеих сторон картера маховика; одна поддерживающая опора на картере коробки передач.

Вопросы для самоконтроля

1. Что называется рабочим циклом двигателя?

2. Что называется тактом?

3. За сколько оборотов коленчатого вала осуществляется рабочий цикл в 4-тактном двигателе?

4. Какой двигатель внутреннего сгорания называется четырехтактным?

5. Как протекает рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя?

6. Как протекает рабочий цикл четырехтактного дизельного двигателя?

7. Принципиальное отличие между рабочими циклами дизельного и карбюраторного двигателя.

8. Преимущества и недостатки карбюраторного двигателя по сравнению с дизельным.

9. Какие существуют способы взаимного расположения цилиндров в многоцилиндровом двигателе? Их оценка.

10. Какие преимущества имеет многоцилиндровый двигатель по сравнению с одноцилиндровым?

11. Преимущества V-образного расположения цилиндров перед рядным.

12. Что называется порядком работы двигателя?

13. Порядок работы двигателей ЗМЗ-406, ЗИЛ-130, ЯМЗ-236, КамАЗ-740.

14. Назначение и устройство кривошипно-шатунного механизма.

15. Назначение и устройство цилиндров двигателя.

16. Назначение, устройство и материал изготовления головки блока.

17. Формы камер сгорания, их сравнительная оценка.

18. Как уплотняются гильзы цилиндров в блоке изучаемых двигателей?

19. Назначение, условия работы и устройство поршня.

20. Почему поршень на холодном двигателе не стучит, а на горячем не клинит?

21. Назначение и устройство поршневых колец и пальцев.

22. Назначение и устройство шатунов.

23. Конструктивные особенности шатунов дизельного двигателя ЯМЗ-238.

24. Назначение, устройство и материал изготовления шатунных и коренных вкладышей.

25. Назначение и устройство коленчатого вала двигателя ЗИЛ-130.

26. Особенности устройства коленчатых валов дизельных двигателей ЯМЗ-238, КамАЗ-740.

27. Какими способами фиксируется коленчатый вал от осевых смешений в изучаемых двигателях?

28. Назначение и устройство маховика.

29. Способы крепления изучаемых двигателей на раме.

Литература: [2, с. 25-37]; [1, с.23-30; 2, с.37-55]